ไทเทเนียมอัลลอยด์เบอร์ 10 ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ สร้างสถิติโลกใหม่ Source: สมาคมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง

การพิมพ์สามมิติสามารถผลิตชิ้นส่วนโลหะที่มีโครงสร้างซับซ้อนและมีน้ำหนักเบาได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์รุ่นถัดไป เช่น เครื่องบินและยานอวกาศ ที่มุ่งเน้นการลดน้ำหนักและการผสานรวมเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติโดยทั่วไปมักมีข้อบกพร่องสำคัญประการหนึ่ง คือ สมรรถนะในการทนต่อแรงกระทำซ้ำ (fatigue performance) ต่ำ หมายความว่ามีแนวโน้มเกิดรอยแตกจากแรงกระทำซ้ำ (fatigue cracking) ภายใต้สภาวะโหลดแบบเป็นจังหวะ ซึ่งจำกัดการใช้งานหลักของชิ้นส่วนเหล่านี้อย่างรุนแรง ล่าสุด ทีมนักวิจัยนำโดยศาสตราจารย์จาง เจ๋อเฟิง และศาสตราจารย์จาง เจิ้นจวิน จากสถาบันวิจัยโลหะ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน (IMR, CAS) ได้พัฒนาเทคโนโลยีการแปรรูปหลังการพิมพ์สามมิติ (post-processing technology) รูปแบบใหม่ วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี NAMP นี้แสดงสมรรถนะในการทนต่อแรงกระทำซ้ำได้เหนือกว่าที่เคยมีมาในสภาวะอัตราแรงดึงต่าง ๆ ทุกแบบ โดยสมรรถนะรวมด้านการทนต่อแรงกระทำซ้ำนี้สูงกว่าวัสดุโลหะที่รู้จักกันทั้งหมด จึงสามารถขจัดอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติในสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูงและล้ำสมัยที่สุด ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้ตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Science Advances แล้ว

ในช่วงต้นปี ค.ศ. 2024 ทีมงานได้ประดิษฐ์กระบวนการ NAMP รูปแบบใหม่ ซึ่งสามารถควบคุมโครงสร้างภายในและข้อบกพร่องของวัสดุได้อย่างแม่นยำ ไทเทเนียมอัลลอยด์ชนิด Ti-6Al-4V ซึ่งเป็นหนึ่งในไทเทเนียมอัลลอยด์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และผลิตด้วยกระบวนการนี้ สามารถกำจัดทั้งรูพรุนขนาดจุลภาค (micropores) และโครงสร้างจุลภาคหยาบ (coarse microstructures) ได้ทั้งสองชนิด ซึ่งล้วนเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้วัสดุเกิดความล้า (fatigue) วัสดุชนิดใหม่นี้ทำลายสถิติโลกด้าน "ความแข็งแรงต่อการล้าจำเพาะ" (specific fatigue strength) ภายใต้เงื่อนไขอัตราส่วนแรงดึง-แรงดึง (tension-tension stress ratio)

อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนจริงในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น ใบพัดเครื่องยนต์อากาศยานและอุปกรณ์ลงจอด มักถูกกระทำด้วยสภาวะแรงเครียดที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง ซึ่งไม่เพียงแต่รวมถึงสถานการณ์แบบ "ดึง-ดึง" เท่านั้น แต่ยังรวมถึงสถานการณ์แบบ "ดึง-กด" ด้วย หมายความว่า อัตราส่วนของแรงเครียด (stress ratio) นั้นมีการเปลี่ยนแปลงได้ แรงเครียดที่มีอัตราส่วนต่างกันอาจก่อให้เกิดกลไกการเสียหายที่แตกต่างกันภายในวัสดุ โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมไทเทเนียมแบบดั้งเดิมมักมีข้อจำกัด—วัสดุเหล่านี้จะแสดงสมรรถนะได้ดีเฉพาะภายใต้อัตราส่วนแรงเครียดบางค่าที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น แต่อาจให้สมรรถนะต่ำลงเมื่ออัตราส่วนแรงเครียดเปลี่ยนแปลง สิ่งนี้ทำให้การผลิตวัสดุที่สามารถให้สมรรถนะได้ดีภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมดนั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก

เมื่อเผชิญกับความท้าทายที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นนี้ ทีมวิจัยได้ระบุจุดอ่อนหลายจุดในโลหะผสมไทเทเนียมที่มีแนวโน้มเกิดรอยร้าวจากความล้า (fatigue cracking) รวมทั้งโหมดของแรงเครียดที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ดังกล่าว ด้วยกระบวนการ NAMP ทีมวิจัยสามารถผลิตโครงสร้างที่พิมพ์สามมิติได้เกือบปราศจากโพรง (nearly pore-free) ซึ่งสามารถปรับแต่งจุดอ่อนทั้งหมดพร้อมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โลหะผสมไทเทเนียมที่พิมพ์สามมิตินี้มีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถรักษาความแข็งแรงต่อความล้าในสภาวะที่มีอัตราส่วนแรงเครียดเต็มรูปแบบ (full stress ratio conditions)

ข้อมูลจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ในการทดสอบความล้าภายใต้อัตราส่วนแรงเครียดที่แตกต่างกัน ความแข็งแรงต่อความล้าของวัสดุใหม่นี้ไม่เพียงแต่สูงกว่าโลหะผสมไทเทเนียมทุกชนิดเท่านั้น แต่ "ความแข็งแรงต่อความล้าจำเพาะ" (specific fatigue strength) ของวัสดุนี้ยังเหนือกว่าวัสดุโลหะทั้งหมดโดยรวมอีกด้วย จึงถือเป็นสถิติโลกใหม่